(57)【要約】      （修正有）【課題】出力側にグレーティングを備えず、かつ波長選択の制御を容易にする。【解決手段】導波路20内に、出力部30、活性部40及び波長選択部50を順に備えている。波長選択部は、分岐部60、第1波長選択部70及び第2波長選択部80を備えている。分岐部は、活性部から送られた光信号を第1分岐光及び第2分岐光に分岐すると共に、第1分岐光が波長選択されて得られる第1選択光、及び、第2分岐光が波長選択されて得られる第2選択光を合波して活性部を経て出力部へ出力する。第1波長選択部は、第1分岐光を外部から印加された第1バイアス電圧に応じて定められる波長域の第1選択光を選択して分岐部へ戻すと共に、外部から印加された第2バイアス電圧に応じて第2選択光の位相に対し、第1選択光の位相を調整する。第2波長選択部は、第2分岐光を波長選択して得られた第2選択光を分岐部へ戻し、かつ、複数の反射波長ピークを有する波長可変グレーティングを含んでいる。【選択図】図１
2006269543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路内に、出力部、活性部、及び波長選択部を順に備え、
前記波長選択部は、さらに、
前記活性部から送られた光信号を第１分岐光及び第２分岐光に分岐すると共に、該第１分岐光が波長選択されて得られる第１選択光、及び、前記第２分岐光が波長選択されて得られる第２選択光を合波して前記活性部を経て前記出力部へ出力する分岐部と、
前記第１分岐光から、外部から印加された第１バイアス電圧に応じて定められる波長域の前記第１選択光を波長選択して前記分岐部へ戻すと共に、外部から印加された第２バイアス電圧に応じて前記第２選択光の位相に対し、該第１選択光の位相を調整する第１波長選択部と、
前記第２分岐光から波長選択して得られる前記第２選択光を前記分岐部へ戻し、かつ、複数の反射波長ピークを有する波長可変グレーティングを含む第２波長選択部と
を備えることを特徴とする波長可変素子。
【請求項２】
前記第１波長選択部は、２つの導波路を有する方向性結合器を含むことを特徴とする請求項１に記載の波長可変素子。
【請求項３】
前記２つの導波路の一方又は双方にグレーティングを設けたことを特徴とする請求項２に記載の波長可変素子。
【請求項４】
前記第１波長選択部は、前記第１バイアス電圧が非印加であるオフ状態にあるときの非透過波長域がそれぞれ異なっている、複数の波長可変のサブグレーティングを含むことを特徴とする請求項１に記載の波長可変素子。
【請求項５】
前記サブグレーティングのグレーティング面が、導波路の伝播軸に対してブラッグ反射条件を満たす角度に傾けて形成されている
ことを特徴とする請求項４に記載の波長可変素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、波長可変素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波長可変素子である波長可変ダイオードレーザを実現する場合に、波長可変機構を半導体レーザチップの外部に設けるか、或いは、半導体レーザチップに集積化するかの２つの形態がある。半導体レーザチップに集積化する形態の素子としては、電気的に波長調整が行える構成のものが多く提案されている。これは、電気的に波長調整を行う素子が可動部を持たないために、動作の信頼性が高いことが主な要因である。電気的に波長調整を行うためには、電気光学効果による屈折率変化を利用する。
【０００３】
しかしながら、電気光学効果による屈折率変化の大きさは、高々１％程度であるため、この屈折率変化を直接利用した波長可変素子では、やはり１％程度の範囲でしか、波長調整が行えない。
【０００４】
１％以上の波長調整を行うための素子として、出力側のフィルタに、サンプルグレーティングあるいは超周期グレーティングを利用した素子がある。しかし、このような素子では、出力側に設けられたサンプルグレーティングなどでの損失のために、出力光強度が小さくなってしまう。
【０００５】
この問題を解決する一つの方法として、出力側のサンプルグレーティングなどの代わりに、広帯域の波長可変グレーティングを用いる方法がある（例えば、非特許文献１又は２参照）。しかし、波長可変グレーティングを用いる素子は、構造が複雑になるという実用上不利な点がある。
【０００６】
上述の点から、出力光強度を増すために、Ｙ分岐構造を用いることにより、出力側のグレーティングを無くする素子が提案されている（例えば、非特許文献３又は４参照）。
【非特許文献１】岡山秀彰、川原正人著「可変波長素子」発明協会公開技報９３−３２３５６、１９９３年
【非特許文献２】Ｄ．Ｊ．Ｒｏｂｂｉｎｓ他著「Ａ  ｈｉｇｈ  ｐｏｗｅｒ、ｂｒｏａｄｂａｎｄ  ｔｕｎｅａｂｌｅ  ｌａｓｅｒ  ｍｏｄｕｌｅ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ａ  ＤＳ−ＤＢＲ  ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ＳＯＡ」Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（ＯＦＣ）２００４予稿集、ＴｕＥ３
【非特許文献３】岡山秀彰著「可変波長素子」発明協会公開技報９５−１７２５６、１９９５年
【非特許文献４】Ｊａｎ−Ｏｌｏｆ  Ｗｅｓｓｔｒｏｍ他著「Ｓｔａｔｅ−ｏｆ−ｔｈｅ−ａｒｔ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ｗｉｄｅｌｙ  ｔｕｎａｂｌｅ  ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  ｇｒａｔｉｎｇ  Ｙ−ｂｒａｎｃｈ  ｌａｓｅｒｓ」ＯＦＣ２００４予稿集、ＴｕＥ２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の従来例のＹ分岐構造を用いた素子は、出力側にフィルタとしてのグレーティングを設けない構成であるものの、Ｙ分岐された枝のそれぞれが、複数の反射波長ピークを有する可変波長素子のサンプルグレーティングを備えている。従来例では、Ｙ分岐された枝の一方が備えるサンプルグレーティングの反射波長ピークの波長間隔と、Ｙ分岐された枝の他方が備えるサンプルグレーティングの反射波長ピークの波長間隔とを異ならせておくことにより、両方のサンプルグレーティングの反射波長のピークが一致した波長のみが選択される。なお、このように、それぞれが異なる波長間隔のピークを有する２つの光信号が合波されて、波長のピークが一致した波長のみが選択される効果をバーニア効果と称することもある。
【０００８】
この場合、所望の波長を選択するためには、２つのサンプルグレーティングをそれぞれ制御して、波長ピークを合せる必要があるので、波長を選択するための制御が複雑となってしまう。
【０００９】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、出力側にグレーティングを備えず、かつ、波長選択の制御が容易な波長可変素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した目的を達成するために、この発明の波長可変素子は、導波路内に、出力部、活性部、及び波長選択部を順に備えている。波長選択部は、さらに、分岐部、第１波長選択部及び第２波長選択部を備えている。分岐部は、活性部から送られた光信号を第１分岐光及び第２分岐光に分岐すると共に、第１分岐光が波長選択されて得られる第１選択光、及び、第２分岐光から波長選択されて得られる第２選択光を合波して活性部を経て出力部へ出力する。第１波長選択部は、第１分岐光から、外部から印加された第１バイアス電圧に応じて定められる波長域の第１選択光を波長選択して分岐部へ戻すと共に、外部から印加された第２バイアス電圧に応じて第２選択光の位相に対し、第１選択光の位相を調整する。第２波長選択部は、第２分岐光を波長選択して得られる第２選択光を分岐部へ戻し、かつ、複数の反射波長ピークを有する波長可変グレーティングを含んでいる。
【００１１】
上述した波長可変素子の実施にあたり、第１波長選択部は、２つの導波路を有する方向性結合器を含むのが好ましい。さらに、２つの導波路の一方又は双方にグレーティングを設けるのが好適である。
【００１２】
また、この発明の波長可変素子の他の好適な実施形態によれば、第１波長選択部は、第１バイアス電圧が非印加であるオフ状態にあるときの非透過波長域がそれぞれ異なっている、複数の波長可変のサブグレーティングを含むのが良い。
【００１３】
さらに、サブグレーティングのグレーティング面が、導波路の伝播軸に対してブラッグ反射条件を満たす角度に傾けて形成されているのが良い。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の波長可変素子によれば、活性部を挟んで出力部側の導波路内にグレーティングを設けていない構造なので、高出力化が図られる。
【００１５】
また、第1選択光を第１バイアス電圧に応じて定められる波長域の光とすることにより、波長選択の際に、バーニア効果を用いることなく、第２波長選択部のアナログ的な微調整と、第１波長選択部のアナログ的な粗調整で行うことができるので、２つのサンプルグレーティングをそれぞれ、所望の波長に微調整することによる従来の波長選択の制御に比べて、所望の波長を容易に得ることができる。
【００１６】
また、第１波長選択部として、複数の波長可変のサブグレーティングを含む構成にすると、出力部側にグレーティングを設けない構造なので、高出力化が図られるとともに、透過波長を、第２波長選択部のアナログ的な調整と、第１波長選択部が備える各サブグレーティングに印加する第１バイアス電圧のオン状態とオフ状態の切換という簡単な制御で波長選択することが可能となる。その結果、制御がさらに容易となる。また、第２波長選択部の波長可変範囲をΔλとすると、第１波長選択部が備えるサブグレーティングの個数Ｎに応じて、ＮΔλで与えられる波長範囲が、使用可能になる。従って、容易に広帯域の可変波長素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の構成および配置関係についてはこの発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の組成（材質）および数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００１８】
（第１実施形態）
図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）を参照して、第１実施形態の波長可変素子について説明する。図１（Ａ）は、第１実施形態の波長可変素子の構成例を説明するための概略平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った面で取った部分的切り口を示す図である。また、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った面で取った切り口を示す図である。図１（Ｄ）は、図１（Ｂ）のＣ−Ｃ線及びその延長線に沿った面で取った切り口を示す図である。
【００１９】
波長可変素子を構成する基板１４上に、下クラッド層１０が形成され、当該下クラッド層１０に埋め込まれるように、導波路２０が形成されている。例えば、基板１４の材質としてＩｎＰを用い、また、導波路２０の材質としてＩｎＧａＡｓＰを用いると、この場合の波長可変素子は、１．５５μｍの通信波長帯で使用可能になる。
【００２０】
波長可変素子は、導波路２０内に、出力部３０、活性部４０、及び波長選択部５０をこの順に備えている。活性部４０及び波長選択部５０は、それぞれ、組成比が異なっている。活性部４０は、バンドギャップ波長を発振波長λeとして発光する。また、波長選択部５０は、光吸収を小さくするために、バンドギャップ波長を発振波長λeよりも短波長側にずらして形成してある。
【００２１】
波長選択部５０は、さらに、分岐部６０、第１波長選択部７０及び第２波長選択部８０を備えている。
【００２２】
分岐部６０としては、例えば、半導体光導波路構造で良く使用される、任意好適な周知の多モード干渉器を用いることができる。分岐部６０は、活性部から送られた光信号を第１分岐光と第２分岐光とに分岐、例えば、光強度を等分して、第１波長選択部７０と第２波長選択部８０へ送る。また、分岐部６０は、第１波長選択部７０と第２波長選択部８０から第１分岐光の選択光及び第２分岐光の選択光としてそれぞれ戻されてきた、第１選択光と第２選択光を合波して活性部４０へ送る。分岐部６０で合波された光は、活性部４０を経て出力部３０に送られて、出力部３０から出力される。第１選択光及び第２選択光については後述する。
【００２３】
第１波長選択部７０は、位相制御部７２及び波長域選択部１００を備えている。
【００２４】
波長域選択部１００を、例えば、屈折率の異なる２本の導波路を備える方向性結合器１３０として構成することができる。方向性結合器１３０は、導波路２０の波長域選択部１００の部分を構成している第１導波路１２０と、第１導波路１２０に対して、ギャップ１１０を隔てて近接配置されている第２導波路１２２を備えている。ここでは、導波路２０の構成部分である、第１導波路１２０は、下クラッド層１０の中に埋め込んで形成されている。下クラッド層１０、導波路２０、及び、波長域選択部１００の第２導波路１２２の上に、上クラッド層１２が形成され、さらに、上クラッド層１２上に、キャップ層９０が形成されている。なお、ここでは、位相制御部７２及び波長域選択部１００上に設けられた上クラッド層１２は互いに離間して形成されている。
【００２５】
図２は、第１導波路１２０及び第２導波路１２２の等価屈折率の波長依存性を説明するための図である。横軸に波長を取って示し、及び、縦軸に等価屈折率をとって示してある。第１導波路１２０と第２導波路１２２とは、化合物半導体の組成比、第１及び第２導波路の幅等を異なるものとすることで、等価屈折率の波長依存性が異なっている。直線Ｉは、第１導波路１２０の等価屈折率ｎ1を示し、直線ＩＩは、第２導波路１２２の等価屈折率ｎ2を示している。このとき、等価屈折率ｎ1とｎ2とは、波長λaで等しくなるように設定されている。
【００２６】
波長域選択部１００では、波長λaの光は、第１導波路１２０と第２導波路１２２の等価屈折率が同じために、第１導波路１２０を通る光が第２導波路１２２に移行する。第２導波路１２２に移行した光は、素子の端面（劈開面）２２で反射する。一方、波長λa以外の光は、第１導波路１２０と第２導波路１２２の等価屈折率が異なるために、第１導波路１２０を直進する。第１導波路１２０を直進した光は、素子の端面２２では反射されず、やがて下クラッド層１０など波長可変素子（以下、単に素子ということもある。）内に吸収される。
【００２７】
第２導波路１２２に移行し、素子の端面２２で反射された光は、第１導波路１２０に移行し、その後、位相制御部７２を経て、分岐部６０へ戻り光として送られる。すなわち、波長λaの光が第１選択光となる。
【００２８】
キャップ層９０上の、第２導波路１２２の上の部分に、上部電極２０６が設けられている。上部電極２０６と、基板１４の下面に設けられた下部電極２００との間に電圧を印加することによって、方向性結合器１３０に対して外部から第１バイアス電圧を印加することができる。方向性結合器１３０が備える、第１導波路１２０及び第２導波路１２２に対して外部電源から順バイアス電圧を印加することによって電流が注入され、その結果、電荷が増減し、この電荷の増減に基づいて屈折率変化が生じる。また、第１導波路１２０及び第２導波路１２２に対して、逆バイアス電圧を印加することによって電界が発生し、その結果、電気光学効果で屈折率変化が生じる。すなわち、上部電極２０６に外部から印加される第１バイアス電圧に応じて、第１導波路１２０及び第２導波路１２２の等価屈折率が変化する。バイアス電圧を印加することにより変化した第１導波路１２０の等価屈折率ｎ1'を点線ＩＩＩで示し、及び、第２導波路１２２の等価屈折率ｎ2'を点線ＩＶで示す。第１導波路１２０の等価屈折率がｎ1からｎ1'に変化して、また、第２導波路１２２の等価屈折率がｎ2からｎ2'に変化するので、第１及び第２導波路１２０及び１２２の等価屈折率は、波長λaと異なる波長である波長λbで一致する。この場合、波長λbの光が第１導波路１２０から第２導波路１２２に移行し、波長λbの光が第１選択光となる。
【００２９】
位相制御部７２は、上部電極２０２を備えていて、上部電極２０２と、基板１４の下面に設けられた下部電極２００との間に電圧を印加することによって、位相制御部７２に対して外部から第２バイアス電圧を印加することができる。位相制御部７２に、順バイアス電圧を印加することによって電流が注入され、その結果、電荷が増減し、この電荷の増減に基づいて屈折率変化が生じる。また、位相制御部７２では、逆バイアス電圧を印加することによって電界が発生し、その結果、電気光学効果で屈折率変化が生じる。
【００３０】
位相制御部７２は、アナログ的に電荷の注入量又は電界の大きさを調整することによって、屈折率変化を生じさせて、第１選択光の位相を制御して、第１選択光と第２選択光の位相が、共振波長で合うように調整する。
【００３１】
以上説明したように、第１波長選択部は、第１分岐光を、外部からの第１バイアス電圧に応じて定められる波長域の第１選択光を波長選択し、さらに、外部から第２バイアス電圧を印加して、第２選択光の位相に対して、第１選択光の位相を調整する。
【００３２】
第２波長選択部８０は、複数の反射波長ピークを有する波長可変グレーティングを備えている。波長可変グレーティングは、サンプルグレーティングあるいは超周期グレーティングで構成される。ここで、サンプルグレーティングとは、均一の短周期Λで形成されたグレーティングからなる１単位のグレーティングを、周期Ｘ（Ｘ＞Λ）の長周期で繰り返し備えた構成である。また、超周期グレーティングは、グレーティングの周期を例えばΛ1〜Λnまで長周期的に変調させた構造である。
【００３３】
波長可変グレーティングがサンプルグレーティングあるいは超周期グレーティング構造をとることによって、波長可変グレーティングは複数の反射ピークを備えることになる。この複数の反射ピークは、サンプルグレーティングあるいは超周期グレーティングの長周期に対応する波長間隔で隔てられた位置に生じる。第２波長選択部８０が備える波長可変グレーティングでの反射光である、複数の反射ピークを有する光信号を第２選択光と称する。
【００３４】
第２波長選択部８０は、位相制御部７２と同様に、導波路２０上に、順に形成された上クラッド層１２及びキャップ層９０の上に上部電極２０４を備えている。なお、ここでは、第２波長選択部８０上に設けられた上クラッド層１２は、第１波長選択部７０及び分岐部６０上に形成された上クラッド層１２から離間して形成されている。
【００３５】
上部電極２０４と、基板１４の下面に設けられた下部電極２００との間に電圧を印加することによって、波長可変グレーティングに対して外部から第３バイアス電圧を印加することができる。波長可変グレーティングに、順バイアス電圧を印加することによって電流が注入され、その結果、電荷が増減し、この電荷の増減に基づいて屈折率変化が生じる。また、第２波長選択部８０では、逆バイアス電圧を印加することによって電界が発生し、その結果、電気光学効果で屈折率変化が生じる。第２波長選択部８０は、アナログ的に電荷の注入量又は電界の大きさを調整することによって、第２選択光のピーク波長を制御する。
【００３６】
この波長可変素子では、波長選択部５０と出力部３０の端面での反射により、共振器が形成される。ここで、共振器の共振波長は、波長選択部５０で設定される反射波長により、決められる。なお、波長選択部５０での波長を設定する方法については、後述する。
【００３７】
可変波長素子を製造する方法は、任意好適な周知の方法を用いることができ、例えば、以下の手順で形成される。先ず、ＩｎＰの基板１４上に、下クラッド層１０をエピタキシャル成長した後、導波路２０を下クラッド層１０に埋め込むように形成する。その後、導波路２０上に、ギャップ１１０、第２導波路１２２、上クラッド層１２、キャップ層９０を順にエピタキシャル成長して多層構造体を形成する。その後、ドライエッチング又はウェットエッチングでリッジ構造を形成した後、側面を屈折率の低い材料で埋め込む。次に、基板１４の下側表面に下部電極２００を、また、キャップ層９０上に、上部電極２０２、２０４及び２０６を形成する。
【００３８】
（第１実施形態の動作）
図３（Ａ）〜（Ｅ）は、第１実施形態の波長可変素子の動作を説明するための図である。図３（Ａ）及び（Ｂ）は、横軸に導波路２０を伝播する波長をとり、縦軸に第１波長選択部７０で反射される光強度（光パワー）の割合（反射率）Ｒを、任意単位で示している。第１波長選択部７０の波長域選択部１００に用いられる方向性結合器１３０は、透過波長幅が広く、それに応じて、波長可変幅も同様に広く取れる。
【００３９】
図３（Ａ）は、第１波長選択部７０が備える波長域選択部１００に、バイアス電圧が印加されていない場合の光強度の割合を示している。波長λ1以上でλ2未満の光が、波長域選択部１００で第２導波路１２２に移行して、素子の端面２２で反射された後に分岐部６０に戻ってくる。波長λ1未満、または、波長λ2以上の光は、第１導波路１２０を直進し、やがて素子内に吸収されて分岐部６０には戻ってこない。
【００４０】
ここで、波長域選択部１００が備える上部電極２０６間にバイアス電圧を印加すると、第２導波路１２２に移行する波長域が変化し、波長λ2以上でλ3未満の光のみが、波長域選択部１００で第２導波路１２２に移行して、素子の端面２２で反射されて分岐部６０に戻ってくる（図３（Ｂ））。この場合、波長λ2未満、または、波長λ3以上の光は、第１導波路１２０を直進し、分岐部６０に戻ってこない。
【００４１】
図３（Ｃ）は、第２波長選択部８０の可変波長グレーティングでの反射率を示している。図３（Ｃ）の横軸は、波長を示し、縦軸は、第２波長選択部８０での反射率Ｒを任意単位で示している。第２波長選択部８０は、サンプルグレーティング又は超周期グレーティングで構成されるので、周期的な複数の反射波長のピークを有している。サンプルグレーティング又は超周期グレーティングは、ここのピークの波長幅は狭く、それに応じて、波長可変幅も狭くなる。
【００４２】
図３（Ｄ）及び（Ｅ）は、第１波長選択部７０と第２波長選択部８０を組み合わせた反射率を示している。図３（Ｄ）及び（Ｅ）の横軸は、波長を示し、縦軸は、第１及び第２波長選択部７０及び８０を組み合わせた反射率Ｒを示している。
【００４３】
第２波長選択部８０は、図３（Ｃ）に示したように、複数の反射波長のピークを有しているが、第１波長選択部７０の反射波長域内の反射波長のみが、第１波長選択部７０と第２波長選択部８０の組み合わせとして高い反射率を得ることになる。これに対し、どちらか一方からしか選択光が戻ってこない場合は、反射率が低くなる。
【００４４】
図３（Ｄ）は、第１波長選択部７０の反射波長が波長λ1以上でλ2未満の波長域の場合を示している。この場合、図３（Ａ）及び図３（Ｃ）に示すように、第２波長選択部８０の反射波長の各ピークの中で、第１波長選択部７０の反射波長域内のものだけ反射率が高くなり、第１波長選択部７０の反射波長域以外のピークは、反射率が低くなる。
【００４５】
図３（Ｅ）は、第１波長選択部７０に電圧を印加して、第１波長選択部７０での反射波長域を、波長λ2以上でλ3未満の波長域に変化させた例を示している。この場合、第２波長選択部の反射波長のうち、第１波長選択部７０の反射波長域である、波長λ2以上でλ3未満の波長域に属するものは、反射率が高くなり、他の波長域に属するものは反射率が低くなる。ここで、分岐部６０において、光信号を第１分岐光と第２分岐光に等分するものとすると、第１波長選択部７０と第２波長選択部８０の反射波長が一致した場合は、分岐部６０での分岐前とほぼ等しい強度の光が得られるが、反射波長が一致しない場合は、分岐前の４分の１程度の強度になる。
【００４６】
なお、第２波長選択部８０の可変波長領域としては、第１波長選択部７０の反射波長域程度の波長範囲でよい。
【００４７】
第１実施形態の可変波長素子によれば、出力ポート側にグレーティングを設けない構造なので、高出力化が図られる。また、透過波長を、第２波長選択部８０のアナログ的な微調整と、第１波長選択部７０に印加するアナログ的な粗調整で波長選択することが可能となる。その結果、２つのサンプルグレーティングをそれぞれ、所望の波長に微調整することによる従来の制御方法に比べて、制御が容易となる。
【００４８】
（第２実施形態）
図４を参照して、第２実施形態の可変波長素子について説明する。第２実施形態の可変波長素子は、第１実施形態の可変波長素子と比べて、第１波長選択部の構造のみが異なっている。図４は、波長域選択部の構造を説明するための図である。
【００４９】
第２実施形態では、波長域選択部を、例えば、屈折率の異なる２本の導波路を備える方向性結合器１３２として構成することができる。方向性結合器１３２は、導波路２０の波長域選択部１００の部分を構成している第１導波路１２０と、第１導波路１２０に対して、ギャップ１１０を隔てて近接配置されている第２導波路１２４を備えている。
【００５０】
第２実施形態では、波長域選択部１０２の第２導波路１２４にグレーティング構造が設けられている点が第１実施形態と異なっている。それ以外は、第１実施形態と同様なので説明を省略する。この場合、第１導波路１２０と第２導波路１２４とで、等価屈折率が同一となる波長が生じるように、第１導波路１２０及び第２導波路１２４の組成などを設定する必要はない。第２実施形態では、第１導波路１２０と第２導波路１２４とは、化合物半導体の組成、又は、導波路の深さ及び幅等の寸法を異ならせることで、異なる等価屈折率となるように設計されていればよい。
【００５１】
ここで、第２導波路１２４に形成されたグレーティングの周期をΛ、第１導波路１２０及び第２導波路１２４の等価屈折率をそれぞれｎ1、ｎ2とすると、位相整合条件（ｎ1−ｎ2）／λ＝１／Λを満たす波長λの光のみが第２導波路１２４に取り出される。そこで、屈折率ｎ1、ｎ2を電気光学効果などにより変化させれば、位相整合条件が変化し、すなわち、取り出される波長λが変化する。このように、位相整合条件を満たさない波長域の光のみを選択することができる。
【００５２】
波長域選択部以外の構成及び動作は第１実施形態の可変波長素子と同様なので、説明を省略する。
【００５３】
（第３実施形態）
図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）を参照して、第３実施形態の波長可変素子について説明する。図５（Ａ）は、第３実施形態の波長可変素子の構成例を説明するための、図５（Ｂ）のＡ−Ａ線及びその延長線に沿った面で取った部分的な切り口を示す、概略図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った面で取った切り口を示す図である。また、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った面で取った切り口を示す図である。
【００５４】
第３実施形態の波長可変素子は、波長域選択部１０４の構成が第１実施形態の波長可変素子と異なっていて、波長域選択部１０４以外の構成は、図１を参照して説明した第１実施形態と同様なので、説明を省略する。
【００５５】
波長域選択部１０４は、それぞれ波長可変のサブグレーティングを複数、ここでは、第１〜４サブグレーティング１０５ａ〜１０５ｄの４つを備えている。なお、サブグレーティングの個数は設計に応じて選択可能であり、何らこの例に限定されるものではない。第１〜４サブグレーティング１０５ａ〜１０５ｄとして、グレーティング面を導波路２０の伝播軸に対して斜めに形成する。ここで、グレーティング面とは、例えば、サブグレーティングが、第２ドメインの等価屈折率が、第１ドメインの等価屈折率と異なる値になるように形成された、周期的ドメイン反転構造の場合は、第１ドメインと第２ドメインとの境界面である。
【００５６】
図５（Ｄ）を参照して、サブグレーティングについて説明する。図５（Ｄ）は、サブグレーティングを説明するための概略構成図である。
【００５７】
サブグレーティング１０５のグレーティング周期をｄとし、及び、導波路の伝播軸１２５に対して傾けて形成されているグレーティング面１０９の傾きの大きさを示す角度をΘbとして、これら、ｄ及びΘbを、ブラッグ条件の２ｄｃｏｓΘb＝ｍλaを満たすように設定すると、波長λaの光がグレーティング面で反射する。ここで、ｍは正の整数である。また、導波路２０の伝播軸１２５の、サブグレーティング１０５のグレーティング面１０９に対する角度Θbが０のとき、グレーティング面１０９は導波路２０の伝播軸１２５に対して直角になるものとする。
【００５８】
導波路２０を伝播する波長λaの光は、グレーティング面での反射により導波路外に導き出され、非透過になる。なお、グレーティング面の角度Θbは、グレーティング面で反射された光が、導波路２０すなわちコア部とクラッド層との境界面で反射されて、再び導波路２０内に戻ってこないために充分な角度に、設定する必要がある。具体的には、ｃｏｓΘb＝１−（１−ｂ）Δｎ／ｎcoreを満たす角度以上にするのが良い。ここで、ｂは規格化伝播定数、Δｎは、コア部とクラッド層の屈折率差、及び、ｎcoreはコア部の屈折率である。規格化伝播定数ｂは、導波路伝播光の等価屈折率ｎeff、クラッド層の屈折率ｎcl、コア部の屈折率ｎcoreを用いて、ｂ＝（ｎeff2−ｎcl2）／（ｎcore2−ｎcl2）で与えられる。例えば、規格化伝播定数ｂが０．６、コア部とクラッド層の屈折率差Δｎが０．１、及び、コア部の屈折率ｎcoreが３．５のとき、導波路軸に対するグレーティング面の角度Θbは９度以上が目安となる。なお、ここで説明した構成例では、コア部の屈折率ｎcoreは、導波路の材質であるＩｎＧａＡｓＰの屈折率であり、クラッド層の屈折率Ｎclは、クラッド層の材質であるＩｎＰの屈折率である。なお、高次の伝播モードでレーザ発振が抑制できる状態であれば、導波路外に放射できなくても良い。
【００５９】
第１〜４サブグレーティング１０５ａ〜１０５ｄは、それぞれ上部電極２０５ａ〜２０５ｄを備えていて、上部電極２０５ａ〜２０５ｄと下部電極２００との間に電圧を印加することによって、第１〜４サブグレーティング１０５ａ〜１０５ｄに対して外部から第１バイアス電圧を印加することができる。第１〜４サブグレーティング１０５ａ〜１０５ｄに、順バイアス電圧を印加することによって電流が注入され、その結果、電荷が増減し、この電荷の増減に基づいて屈折率変化が生じる。また、第１〜４サブグレーティング１０５ａ〜１０５ｄでは、逆バイアス電圧を印加することによって電界が発生し、その結果、電気光学効果で屈折率変化が生じる。ここで、第１〜４サブグレーティング１０５ａ〜１０５ｄに対して、順又は逆バイアス電圧を印加した状態をオン状態と称し、また、順又は逆バイアス電圧が非印加である状態をオフ状態と称する。第１〜４サブグレーティング１０５ａ〜１０５ｄは、オン状態及びオフ状態の切換によって、屈折率変化を生じる。
【００６０】
第１サブグレーティング１０５ａは、オン状態及びオフ状態の切換によって屈折率変化が生じるので、ブラッグ条件を満たす波長が変化する。オフ状態では波長λaの光が非透過であったのに対し、オン状態では波長λaと異なる波長λbの光が非透過になる。
【００６１】
第１〜４サブグレーティング１０５ａ〜１０５ｄは、オフ状態において、それぞれ異なる非透過波長域を有している、すなわち、それぞれ異なる波長域に対してブラッグ条件を満たすように設定されている。第１〜４サブグレーティング１０５ａ〜１０５ｄの非透過波長域を異なる波長域に設定するためには、グレーティング周期ｄ、及びグレーティング面と導波路の伝播軸との角度Θbの組み合わせを異なるものにすればよい。ここでは、第１〜４サブグレーティング１０５ａ〜１０５ｄの４つのサブグレーティングは、隣接する波長域を非透過波長域に設定されている。例えば、第１サブグレーティング１０５ａは、波長λ1以上でλ2未満の波長域が非透過波長域である。同様に、第２サブグレーティング１０５ｂは、波長λ2以上でλ3未満の波長域が非透過波長域であり、第３サブグレーティング１０５ｃは、波長λ3以上でλ4未満の波長域が非透過波長域であり、及び、第４サブグレーティング１０５ｄは、波長λ4以上でλ5未満の波長域が非透過波長域である。このように波長域選択部１０４は複数のサブグレーティング１０５ａ〜１０５ｄにより、波長λ1以上でλ5未満の広い波長域の光を導波路外に反射させ、すなわち、非透過にしている。
【００６２】
波長域選択部１０４の各サブグレーティング１０５ａ〜１０５ｄを透過した光は、出力部３０の反対側の素子の端面２２で反射して、位相制御部７２を経て分岐部６０へ送られる、第1選択光となる。
【００６３】
（第３実施形態の動作）
図６（Ａ）〜（Ｅ）は、第３実施形態の波長可変素子の動作を説明するための図である。図６（Ａ）及び（Ｂ）は、横軸に導波路２０を伝播する波長をとり、縦軸に第１波長選択部７０で反射する光強度（光パワー）の割合Ｔを、任意単位で示している。
【００６４】
図６（Ａ）は、波長域選択部１０４の各サブグレーティング部１０５ａ〜１０５ｄが、何れもオフ状態である場合の光強度の割合を示している。波長λ1以上でλ2未満の光が、第１サブグレーティング１０５ａで導波路外へ反射されて非透過になる。また、波長λ2以上でλ3未満の光が、第２サブグレーティング１０５ｂで導波路外へ反射されて非透過になり、波長λ3以上でλ4未満の光が、第３サブグレーティング１０５ｃで導波路外へ反射されて非透過になり、波長λ4以上でλ5未満の光が、第４サブグレーティング１０５ｄで反射されて非透過になる。
【００６５】
従って、波長域選択部１０４に入った光は、各サブグレーティング１０５ａ〜１０５ｄにおいて、対応する波長の光が導波路２０外に導かれ、波長λ1以上でλ5未満の光が非透過になる。
【００６６】
ここで、波長域選択部１０４が備えるサブグレーティングの１つをオン状態とする。図６（Ｂ）は、第２サブグレーティング１０５ｂをオン状態として、第２サブグレーティング１０５ｂでの、反射波長域を波長λ3以上でλ4未満、すなわち、第３サブグレーティング１０５ｃの反射波長域に一致するように変化させた例を示している。第２サブグレーティング１０５ｂをオン状態にすることにより、波長λ3以上でλ4未満の波長域の光を反射させるようにすると、第２サブグレーティング１０５ｂがオフ状態であるときの非透過波長域に属する、波長λ2以上でλ3未満の波長域の光は、第２サブグレーティング１０５ｂを通過できるようになり、すなわち、波長域選択部１０４を通過できる。
【００６７】
図６（Ｃ）は、第２波長選択部８０の反射率を示している。図６（Ｃ）の横軸は、波長を示し、縦軸は、第２波長選択部８０での反射率Ｒを任意単位で示している。第２波長選択部８０は、サンプルグレーティング又は超周期グレーティングで構成されるので、周期的な複数の反射波長のピークを有している。
【００６８】
図６（Ｄ）及び（Ｅ）は、第１波長選択部７４と第２波長選択部８０を組み合わせた反射率を示している。図６（Ｄ）及び（Ｅ）の横軸は、波長を示し、縦軸は、第１及び第２波長選択部７４及び８０を組み合わせた反射率を示している。
【００６９】
第２波長選択部８０は、図６（Ｃ）に示したように、複数の反射波長のピークを有しているが、波長域選択部１０４の透過波長域内の反射波長のみが、第１波長選択部７４と第２波長選択部８０の組み合わせとして高い反射率を得ることになる。
【００７０】
図６（Ｄ）は、波長域選択部１０４の全てのサブグレーティング１０５ａ〜１０５ｄがオフ状態の場合を示している。この場合、図６（Ａ）及び図６（Ｃ）に示すように、第２波長選択部８０の反射波長の各ピークが、波長域選択部１０４の透過波長域内にないので、第１波長選択部７４及び第２波長選択部８０の組み合わせとしての反射率は全体として低くなる。
【００７１】
図６（Ｅ）は、第２サブグレーティング１０５ｂに電界を印加して、第２サブグレーティング１０５ｂでの反射波長域を、波長λ3以上でλ4未満の波長域、すなわち、オフ状態での第３サブグレーティング１０５ｃの反射波長域に一致するように変化させた例を示している。この場合、図６（Ｂ）を参照して説明したように、オフ状態での第２サブグレーティング１０５ｂの非透過波長域が、波長域選択部１０４の透過波長域になる。従って、第２波長選択部８０の反射波長のうち、波長域選択部１０４の透過波長域である、波長λ2以上でλ3未満の波長域に属するものは、高い反射率が得られる。
【００７２】
ここで、第２波長選択部８０の可変波長領域としては、第１波長選択部７４の各サブグレーティング１０５ａ〜１０５ｄの反射波長域程度の波長範囲でよい。また、第１波長選択部７４の、各サブグレーティング１０５ａ〜１０５ｄの波長可変範囲は、非透過波長域が、隣のサブグレーティングの反射波長域に移る程度で良いため、第２波長選択部８０と同じ程度の可変域があれば良い。
【００７３】
第３実施形態の可変波長素子によれば、出力部側にグレーティングを設けない構造なので、高出力化が図られる。また、透過波長を、第２波長選択部８０のアナログ的な調整と、第１波長選択部７４の各サブグレーティングに印加する第１バイアス電圧のオン状態とオフ状態の切換という簡単な制御で波長選択することが可能となる。その結果、波長選択の制御がさらに容易となる。
【００７４】
さらに、この可変波長素子によれば、第２波長選択部８０の波長可変範囲をΔλとすると、第１波長選択部７４が備えるサブグレーティングの個数Ｎに応じて、ＮΔλで与えられる波長範囲が、使用可能になる。従って、容易に広帯域の可変波長素子が得られる。
【００７５】
ここでは、第１波長選択部７４が備えるサブグレーティングとして、伝播軸に対してグレーティング面を傾けたグレーティングを用いたが、グレーティングの周期が、導波路外への放射光と位相整合する周期であれば、伝播軸に対してグレーティング面を傾けない構成としても良い。この場合のグレーティングの周期Λは、ｎeff＋ｎclｃｏｓΘr＝ｎeffλ／Λの関係を満足する。ここで、Θrは、導波路外を伝播する導波路外伝播光の伝播方向である。
【００７６】
図７を参照して、第３実施形態における波長域選択部１０６の他の構成例について説明する。波長域選択部１０６は、複数のサブグレーティング、ここでは、第１〜４サブグレーティング１０７ａ〜１０７ｄを備えている。第１〜４サブグレーティング１０７ａ〜１０７ｄは、それぞれ導波路の伝播軸を基準に互い違いの構造を備えている。第１〜４サブグレーティング１０７ａ〜１０７ｄでは、導波路２１を、伝播軸に平行な面で２つの領域に二分し、一方の領域のグレーティング面の位置を、他方の領域のグレーティング面の位置に対して、グレーティング周期の２分の１だけずらしてある。例えば、第１サブグレーティング１０７ａは、第１領域１０７ａａ及び第２領域１０７ａｂを並置して設けてあり、しかも、第１サブグレーティング１０７ａの第１領域１０７ａａのグレーティング面と第２領域１０７ａｂのグレーティング面は、互いにグレーティング周期の２分の１だけ位置がシフトされて設けられている。
【００７７】
第１〜４サブグレーティング１０７ａ〜１０７ｄの周期Λは、非透過波長域の波長λに応じて、Λ＝λ／［２ｎcl＋Δｎ（ｂ0＋ｂ1）］で与えられる。ここで、ｂ0、ｂ1は０次、及び１次の規格化伝播係数である。この周期Λのグレーティングのグレーティング面を、伝播軸に平行な面でΛ／２だけずらしてある。
【００７８】
０次モードと１次モードでは、光電場の振幅分布が反対称であるため、グレーティング面をずらして形成することで、上述の関係を満たす波長の光が、０次の基本モードから、高次モードである１次モードへと変換される。高次モードの光は導波路内での閉じ込めが弱いため、高次モードの光は活性部４０でのゲインがかせげない。従って、高次モードの光に変換された波長域の光は、透過率が低いのと等価になるので、各サブグレーティングでの非透過波長域は、サブグレーティング毎に設定された、０次モードから１次モードへの変換される波長域とすることができる。
【００７９】
ここでは、例えば、第１サブグレーティング１０７ａは、波長λ1以上でλ2未満の波長域が非透過波長域である。同様に、第２サブグレーティング１０７ｂは、波長λ2以上でλ3未満の波長域が非透過波長域であり、第３サブグレーティング１０７ｃは、波長λ3以上でλ4未満の波長域が非透過波長域であり、及び、第４サブグレーティング１０７ｄは、波長λ4以上でλ5未満の波長域が非透過波長域である。このように波長域選択部１０６は複数のサブグレーティング１０７ａ〜１０７ｄにより、波長λ1以上でλ5未満の広い波長域の光の伝播モードを０次モードから１次モードへ変換、すなわち、非透過にしている。
【００８０】
この構成例の動作は、サブグレーティング１０７ａ〜１０７ｄにおいて、伝播モードを高次にすることによって、非透過に設定することを除いて、図６を参照して説明した第３実施形態の動作と同様なので説明は省略する。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】第１実施形態の波長可変素子を説明するための概略図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は部分的断面の切り口を示す図、（Ｃ）及び（Ｄ）は断面の切り口を示す図である。
【図２】第１導波路及び第２導波路の等価屈折率を説明するための図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｅ）は、第１実施形態の波長可変素子の動作を説明するための図である。
【図４】第２実施形態における波長域選択部を説明するための概略図である。
【図５】第３実施形態の波長可変素子を説明するための概略図であり、（Ａ）及び（Ｃ）は断面の切り口を示す図、（Ｂ）は部分的断面の切り口を示す図、及び、（Ｄ）は、グレーティング面の説明に供する図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｅ）は、第３実施形態の波長可変素子の動作を説明するための図である。
【図７】第３実施形態における波長域選択部の構成例を説明するための概略図である。
【符号の説明】
【００８２】
１０    下クラッド層
１２    上クラッド層
１４    基板
２０    導波路
２２    端面
３０    出力部
４０    活性部
５０    波長選択部
６０    分岐部
７０、７４    第１波長選択部
７２    位相制御部
８０    第２波長選択部
９０    キャップ層
１００、１０４、１０６    波長域選択部
１０５ａ〜１０５ｄ、１０７ａ〜１０７ｄ    サブグレーティング
１０７ａａ    第１領域
１０７ａｂ    第２領域
１０９    グレーティング面
１１０    ギャップ
１２０    第１導波路
１２２、１２４    第２導波路
１２５    伝播軸
１３０、１３２    方向性結合器
２００    下部電極
２０２、２０４、２０５ａ〜２０５ｄ、２０６    上部電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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